(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料を供給するための燃料電池用カートリッジであって、
少なくとも一方の面に複数の開口部が形成されたカートリッジケースと、
前記カートリッジケース内の前記開口部が形成された面に配置され、前記燃料を内部に溶解可能な非多孔質材料と、
前記カートリッジケース内に封入された前記燃料を含浸するための燃料含浸材とを有し、
前記非多孔質材料からの前記燃料の気化放出速度の温度依存性が、前記燃料含浸材からの前記燃料の気化放出速度の温度依存性よりも小さい
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記開口部に配置される前記非多孔質材料を透過する前記燃料の気化放出速度の温度による上昇率が、前記開口部に何も配置されないもしくは多孔質材料が配置された場合における前記燃料の気化放出速度の温度による上昇率よりも小さい
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記非多孔質材料は、シリコーンゴムである
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記非多孔質材料は、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルケトン及びポリアミドのうち一種を主材料とする高分子膜より成る
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項５】
燃料極と固体電解質と空気極とを有する発電部を有し、
前記発電部の前記燃料極側に設けられたスロット内に、気化した燃料を放出する燃料電池用カートリッジを装脱着可能な燃料電池であって、
前記燃料電池用カートリッジは請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池用カートリッジである
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ＰＤＡ（携帯情報端末、Personal Digital Assistant）、ノートパソコン等の携帯電子機器の著しい進歩により、消費電力の増加、使用時間の長時間化が進み、その駆動電源である電池には更なる性能向上が求められている。しかし、現在ほとんどの携帯機器に搭載されているリチウムイオン二次電池では、材料面、構造面などの理由から性能向上がほぼ限界に近づきつつある。
【０００３】
これに対し、新規の高容量駆動電源として、燃料の理論容量が大きく、リチウムイオン電池と比較して数倍の高容量化が期待されるダイレクトメタノール型燃料電池ＤＭＦＣ（Direct Methanol Fuel Cell）に注目が集まっている。
【０００４】
これは、燃料電池の電解質に、高いイオン伝導度を有する高分子固体電解質を用い、燃料として有機燃料から改質された水素を供給することなく、直接電極上にメタノールなどの有機燃料を供給することで、エネルギー密度を向上させた燃料電池である。この方式をダイレクトメタノール方式という。この方式では、有機燃料から水素を取り出す改質器を必要としない。そのため燃料電池は小型で軽量であり、携帯機器への搭載に適している。
【０００５】
この方式では、燃料極触媒にメタノール水溶液を液体あるいは気体の状態で供給し、触媒上でプロトンと二酸化炭素が生成される。プロトンは高分子固体電解質の膜中を透過して、酸素と化合して水を生成する。この際、燃料極、空気極を外部回路に接続することで電力が取り出せる。
【０００６】
ＤＭＦＣにおける燃料供給方法には、燃料極表面に液体状態の燃料を直接供給する液体供給式と、液体燃料を気化させた後に燃料極へ供給する気化供給式がある。
【０００７】
気化供給式では燃料タンク内から供給する燃料を高濃度化することが可能であり、同一容積で比較すると低濃度の燃料を使用した場合に比べてエネルギー密度は向上する。従って、小型化、高エネルギー密度化が要求されている携帯型電子機器用途では、気化供給式が適した方式であると言える。
【０００８】
なお、本発明の背景技術としては、以下のようなものがある。
【特許文献１】特開２００４−１２７６５９号公報
【特許文献２】特許第３４１３１１１号公報
【特許文献３】特開２００４−２３３７２６号公報
【特許文献４】特開２００５−２０３３３５号公報
【特許文献５】特開２０００−２６８８３６号公報
【特許文献６】特開２００４−２８８５７４号公報
【特許文献７】特開２００３−３０８８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
気化供給式では、液体燃料を気化して燃料極へ供給する。このとき、液体が気化する速度を気化放出速度と言う。この気化放出速度が一定していれば、燃料極へ燃料を安定的に供給することができる。
【００１０】
しかしながら、メタノール気化放出速度の温度による上昇率はメタノール蒸気圧に則しており、温度依存性が非常に大きいという問題があった。
【００１１】
このように、燃料を供給する速度が温度に大きく依存する気化供給式では、初期状態での電池の温度が低いことにより電池始動が遅くなるという問題や、電池の温度が上昇し続けることにより熱暴走を起こしやすいという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、燃料の気化放出速度の温度依存性を緩和し、安定的に発電することができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一観点によれば、燃料電池に燃料を供給するための燃料電池用カートリッジであって、少なくとも一方の面に複数の開口部が形成されたカートリッジケースと、前記カートリッジケース内の前記開口部が形成された面に配置され、前記燃料を内部に溶解可能な非多孔質材料と、前記カートリッジケース内に封入された前記燃料を含浸するための燃料含浸材とを有し、前記非多孔質材料からの前記燃料の気化放出速度の温度依存性が、前記燃料含浸材からの前記燃料の気化放出速度の温度依存性よりも小さい燃料電池用カートリッジが提供される。

【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、カートリッジケースに形成された開口部と、カートリッジケース内に封入された燃料含浸材の間に、非多孔質材料を配置することにより、温度の上昇によるメタノール気化放出速度の上昇率を低く抑えることが可能となる。
【００１５】
また、本発明によれば、非多孔質材料の厚みを変えることにより、メタノール気化放出速度を制御することが可能となる。さらに、カートリッジ表面に設けられた開口部の面積を変えることによっても、メタノール気化放出速度を制御することが可能となる。そのため、例えば、非多孔質材料の厚みを大きく取ることによって、開口部の面積を大きく取ることが可能となる。従って、開口部の面積を大きく取ることにより、開口部を遮断する部分を削減し、燃料供給分布を面方向で均一にすることができ、安定的な発電を行うことが可能となる。また、開口部を大きく取ることにより、カートリッジケースの材料を少なくすることができたり、開口部を小さく取るよりも加工が容易になったりなど、大幅なコスト削減が可能となる。
【００１６】
また、本発明によれば、カートリッジケースに形成された開口部と、カートリッジケース内に封入された燃料含浸材の間に、非多孔質材料を配置することにより、メタノール気化放出速度の温度依存性が緩和される。そのため、温度が上昇しても燃料であるメタノールの発電部への供給は比較的安定的に行われる。従って、発電部の発熱は安定し、熱暴走しにくい燃料電池システムを提供することが可能である。さらに、メタノール気化放出速度の温度依存性が緩和されることにより、電池温度が低い初期状態のメタノール放出速度が比較的大きくなる。従って、初期状態からの電流の立ち上がりが早い燃料電池システムを提供することが可能となる。
【００１７】
また、本発明によれば、燃料電池用カートリッジの両面に開口部を設けたものを使用することにより、同時に２箇所の発電部へ気化燃料を供給することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による燃料電池用カートリッジについて図１乃至図６を用いて説明する。
【００１９】
図１は提案されている燃料電池用カートリッジを示す概略図、図２は本実施形態による燃料電池用カートリッジを示す概略図、図３は本実施形態による燃料電池システムの内部構造を示す概略図である。
【００２０】
（燃料電池システムの概要）
はじめに、燃料電池用カートリッジを用いた燃料電池システムの概要を説明する。
【００２１】
燃料電池の燃料は、発電部と別個に設けられた燃料電池用カートリッジ内に貯留される。燃料電池に継続的に発電を行わせるためには、燃料電池用カートリッジ内に貯留された燃料を、継続的に発電部に供給することが必要となる。
【００２２】
本願発明者等は、燃料電池用カートリッジ内に貯留された燃料を発電部に供給する技術として、燃料電池用カートリッジにおいて気化された燃料を発電部に供給する技術を提案している。
【００２３】
（本願発明者等により提案されている燃料電池用カートリッジ）
この技術に用いられる燃料電池用カートリッジについては、少なくとも一方の面に複数の孔を設けたカード形状のカートリッジ内に、メタノール水溶液を高分子材料に含浸させたものを保持する方法が提案されている。
【００２４】
この提案されている燃料電池用カートリッジの詳細について、図１を用いて説明する。
【００２５】
図１（ａ）は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【００２６】
図１（ａ）において、燃料電池用カートリッジ１００の一方の面には、複数の孔１０２が設けられている。孔１０２の形状は円形であり、直径はφ０．１ｍｍ程度である。
【００２７】
図１（ｂ）において、カートリッジケース１０４の一方の面には複数の孔１０２が設けられている。カートリッジケース１０４内には、燃料となるメタノール水溶液を十分に含浸させた燃料含浸材１０６が封入されている。図１（ｂ）における矢印は、燃料含浸材１０６から燃料が気化して放出されていく状態を示している。
【００２８】
燃料含浸材１０６に含浸させたメタノール水溶液は、孔１０２付近の空気に直接接している。ここで、ある温度でのメタノール気化放出速度は、その温度でのメタノール蒸気圧の大きさによって決まる。温度が高いほどメタノール蒸気圧も大きくなるので、メタノール気化放出速度も大きくなる。提案されている燃料電池用カートリッジ１００では、燃料含浸材１０６に含浸させたメタノール水溶液は孔１０２に直接接しているため、孔１０２付近の温度上昇によりメタノール気化放出速度は大きく上昇する。メタノール気化放出速度は、孔１０２付近の空気の温度に大きく依存する。
【００２９】
このように、提案されている燃料電池用カートリッジ１００を使用した場合、燃料含浸材１０６に含浸させたメタノール水溶液が孔１０２付近の空気に接しており、孔１０２付近の空気の温度によりメタノール気化放出速度が変動するため、気化した燃料を安定して放出することは困難であった。
【００３０】
（本実施形態による燃料電池用カートリッジ）
そこで本願発明者らは鋭意検討した結果、カートリッジケース内部において、孔が設けられた面と燃料含浸材との間に、非多孔質形状の燃料気化膜を配置することにより、メタノール気化放出速度の温度依存性の緩和を実現することに想到した。ここで、非多孔質材料とは、内部に微細な孔が存在しない緻密な材料のことである。非多孔質材料の特徴として、燃料が非多孔質材料を透過する際、まず燃料が非多孔質材料の内部へ溶解する。その後、燃料が非多孔質材料中を拡散し、非多孔質材料から気化放出されるという過程で、燃料の透過が進行する。
【００３１】
図２は、本実施形態による燃料電池用カートリッジについての概略図である。図２（ａ）は、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００３２】
図２（ａ）において、燃料電池用カートリッジ１０の面には、開口部１２が設けられている。開口部１２の形状は、例えば長方形である。開口部１２の面積は、例えば１５×１０ｍｍ２程度である。
【００３３】
図２（ｂ）において、カートリッジケース１４の一方の面には開口部１２が設けられている。カートリッジケース１４内には、燃料となるメタノール水溶液を十分に含浸させた燃料含浸材１６が封入されている。図２（ｂ）における矢印は、燃料含浸材１６から燃料が気化して放出されていく状態を示している。
【００３４】
カートリッジケース１４に設けられた開口部１２と燃料含浸材１６との間には、非多孔質材料１８が配置されている。非多孔質材料１８としては、例えば、シリコーンゴム膜を用いることができる。
【００３５】
開口部１２と燃料含浸材１６との間にシリコーンゴム膜のような非多孔質材料１８を配置した場合、燃料含浸材１６に含浸させたメタノール水溶液は、まず非多孔質材料１８の内部へ溶解する。そしてメタノール水溶液は非多孔質材料１８の内部を拡散した後、開口部１２から気化して放出される。
【００３６】
本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０のメタノール気化放出速度は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００と同様、開口部１２付近の温度に依存する。開口部１２付近の温度上昇に伴い、メタノール気化放出速度も大きくなる。しかし、その変化の割合は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００の場合よりも小さい。これは、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、燃料含浸材１６に含浸させたメタノール水溶液は、非多孔質材料１８の内部に十分拡散してから気化するからである。
【００３７】
このようにして、開口部１２と燃料含浸材１６との間に非多孔質材料１８を配置することにより、メタノール気化放出速度の温度依存性を緩和することが可能となる。また、メタノール気化放出速度の絶対量は、非多孔質材料１８の厚みや開口部１２の面積で制御することが可能である。
【００３８】
（本実施形態による燃料電池用カートリッジを使用した燃料電池システム）
次に、本実施形態による燃料電池用カートリッジを使用した燃料電池システムについて、図３を用いて説明する。
【００３９】
図３に示すように、燃料電池システム２０は、カソードハウジングと呼ばれる空気極側ハウジング２２と、空気極側ハウジング２２に隣接して設けられたカソード集電体と呼ばれる空気極集電体２４と、空気極集電体２４に隣接して設けられた空気極ガス拡散層２６と、空気極ガス拡散層２６に隣接して設けられ、酸素を活物質として還元反応を生じさせ、イオンを生成する正極と呼ばれる空気極触媒層２８と、空気極触媒層２８に隣接して設けられた固体電解質層３０と、固体電解質層３０に隣接して設けられ、燃料を酸化してプロトンと電子とを取り出すための負極と呼ばれる燃料極触媒層３２と、燃料極触媒層３２に隣接して設けられた燃料極ガス拡散層３４と、燃料極ガス拡散層３４に隣接して設けられたアノード集電体と呼ばれる燃料極集電体３６と、燃料極集電体３６に隣接して設けられた気化燃料拡散層３８と、気化燃料拡散層３８に隣接して設けられたアノードハウジングと呼ばれる燃料極側ハウジング４４とを有している。燃料極側ハウジング４４には、燃料電池用カートリッジ４２を装着するためのスロット４０が形成されている。スロット４０内には、燃料電池用カートリッジ４２が装着されている。燃料電池用カートリッジ４２は、スロット４０内に着脱可能に構成されている。空気極触媒層２８と固体電解質層３０と燃料極触媒層３２とを合わせて発電部（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly） という。
【００４０】
空気極集電体２４は、導電性を有し、耐食性が高いことが必要である。このため、空気極集電体２４の材料としては、例えば、Ａｕめっきが施されたＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のステンレスが用いられている。また、空気極集電体２４は、空気中の酸素を空気極触媒層２８に導入させ得ることが必要である。このため、空気極集電体２４の構造としては、メッシュ、エキスパンドメタル、発泡体等が採用されている。
【００４１】
空気極ガス拡散層２６は、空気中の酸素を空気極触媒層２８に導入させ得ることが必要である。また、空気極ガス拡散層２６は、空気極集電体２４と空気極触媒層２８との電気的な導通を確保する必要がある。このため、空気極ガス拡散層２６の材料として、例えばカーボンペーパー等の多孔質導電体が用いられている。このカーボンペーパーとしては、例えば東レ株式会社製のカーボンペーパーを用いることができる。
【００４２】
空気極触媒層２８は、プロトン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）とから水を生成する電気化学反応を生じさせることを可能とする材料が用いられている。具体的には、空気極触媒層２８は、触媒又は触媒担持体とプロトン伝導性高分子固体電解質とを混合し、こうして形成された混合物を空気極ガス拡散層２６又は固体電解質層３０に塗布することにより形成されている。空気極触媒層２８としては、例えば、田中貴金属工業株式会社製の白金担持触媒であるＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅを用いることができる。
【００４３】
固体電解質層３０は、燃料極側において生成されたプロトンを空気極側に輸送するための経路であり、電子伝導性を有しないイオン導電体により構成されている。固体電解質層３０の材料としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマ等を用いることができる。このパーフルオロスルホン酸系ポリマとしては、例えば、デュポン社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）を用いることができる。より具体的には、固体電解質層３０として、Ｎａｆｉｏｎ Ｎ１１２を用いることができる。
【００４４】
燃料極触媒層３２は、例えば、白金等より成る微粒子と、炭素粉末と、電解質層を形成する高分子とを、燃料極ガス拡散層３４又は固体電解質層３０に塗布することにより構成されている。なお、塗布する微粒子としては、白金等に限定されるものではなく、例えば、白金とルテニウム等とからなる合金の微粒子を用いてもよい。燃料極触媒層３２としては、例えば、田中貴金属工業株式会社の白金−ルテニウム合金担持触媒であるＴＥＣ６１Ｅ５４を用いることができる。
【００４５】
燃料極ガス拡散層３４は、気化された燃料を燃料極触媒層３２に導入させ得ることが必要である。また、燃料極ガス拡散層３４は、燃料極集電体３６と燃料極触媒層３２との電気的な導通を確保する必要がある。このため、燃料極ガス拡散層３４の材料として、例えばカーボンペーパー等の多孔質導電体が用いられている。このカーボンペーパーとしては、例えば東レ株式会社製のカーボンペーパーを用いることができる。
【００４６】
燃料極集電体３６は、導電性を有し、耐食性が高いことが必要である。このため、燃料極集電体３６の材料としては、例えば、Ａｕめっきが施されたＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等のステンレスが用いられている。また、燃料極集電体３６は、気化された燃料を燃料極触媒層３２に導入させ得ることが必要である。このため、燃料極集電体３６の構造としては、メッシュ、エキスパンドメタル、発泡体等が採用されている。
【００４７】
気化燃料拡散層３８は、燃料電池用カートリッジ４２から放出される気化された燃料を拡散するためのものである。気化燃料拡散層３８の上端部は、燃料電池システム２０のハウジング２２、４４から外部に一部露出している。ハウジング２２、４４から露出している気化燃料拡散層３８の上端部は、炭酸ガスを排出する炭酸ガス排出口として機能する。
【００４８】
燃料電池用カートリッジ４２内に封入する燃料含浸材としては、例えば、カルボキシル基又はスルホン基を含む高分子材料を用いることが可能である。燃料含浸材は、高濃度のメタノール水溶液に対して溶解しないことが必要である。このような観点から、燃料含浸材としては、カルボキシル基又はスルホン基を含むパーフルオロ系の高分子材料が特に望ましい。このような材料としては、具体的には、デュポン社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ：登録商標）膜を用いることができる。また、燃料含浸材は、デュポン社製のナフィオン膜に限定されるものではない。例えば、旭硝子株式会社製のフレミオン（ｆｌｅｍｉｏｎ：登録商標）膜を燃料含浸材として用いてもよい。また、旭化成株式会社製のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ：登録商標）膜を燃料含浸材として用いてもよい。
【００４９】
（温度によるメタノール気化放出速度の変化）
次に、提案されている燃料電池用カートリッジ１００と本実施形態の燃料電池用カートリッジ１０において、温度に対するメタノール気化放出速度を測定した結果について説明する。
【００５０】
図４は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００と本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０について、温度とメタノール気化放出速度の関係を示すグラフである。横軸は温度である。縦軸は、温度が２５℃のときのメタノール気化放出速度に対する各温度でのメタノール気化放出速度の比を示している。
【００５１】
図４に示すように、提案されている燃料電池用カートリッジ１００では、温度が６０℃のときのメタノール気化放出速度は、２５℃のときのメタノール気化放出速度の約５．５倍となる。本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、温度が６０℃のときのメタノール気化放出速度は、２５℃のときのメタノール気化放出速度の約２．５倍となる。
【００５２】
図４からわかるように、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０を用いることにより、温度の上昇によるメタノール気化放出速度の上昇率を低く抑えることが可能となる。
【００５３】
（本実施形態でのシリコーンゴム膜の厚みとメタノール気化放出速度の関係）
本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、開口部１２と燃料含浸材１６との間に配置した非多孔質材料１８であるシリコーンゴム膜の厚みを変えることにより、メタノール気化放出速度を制御することができる。
【００５４】
図５は、シリコーンゴム膜の厚みとメタノール気化放出速度の関係を示すグラフである。横軸は、シリコーンゴム膜の厚みである。縦軸は、シリコーンゴム膜の厚みが５０μｍのときのメタノール気化放出速度の大きさに対する各厚みでのメタノール気化放出速度の比を示している。
【００５５】
図５に示すように、本実施形態の燃料電池用カートリッジ１０では、シリコーンゴム膜の厚みが大きいほど、メタノール気化放出速度は小さくなる。シリコーンゴム膜の厚みが２００μｍのときのメタノール気化放出速度は、シリコーンゴム膜の厚みが５０μｍのときのメタノール気化放出速度の約４分の１となる。
【００５６】
図５からわかるように、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、非多孔質材料１８であるシリコーンゴム膜の厚みを変えることにより、メタノール気化放出速度を制御することが可能となる。
【００５７】
また、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、カートリッジ表面に設けられた開口部１２の面積を変えることによっても、メタノール気化放出速度を制御することが可能となる。本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、メタノール気化放出速度は開口部１２の面積に比例する。
【００５８】
従って、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、非多孔質材料１８であるシリコーンゴム膜の厚みと、開口部１２の面積の取り方を変えることにより、メタノール気化放出速度を自由に制御することが可能となる。
【００５９】
そのため、例えば、非多孔質材料１８であるシリコーンゴム膜の厚みを大きく取ることによって、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０の開口部１２の面積を大きく取ることが可能となる。
【００６０】
本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０の開口部１２を大きく取ることにより、開口部１２を遮断する部分を削減し、燃料供給分布を面方向で均一にすることができ、安定的な発電を行うことが可能となる。また、開口部１２を大きく取ることにより、カートリッジケース１４の材料を少なくすることができたり、開口部１２を小さく取るよりも加工が容易になったりなど、大幅なコスト削減が可能となる。
【００６１】
（発電実験の結果）
次に、提案されている燃料電池用カートリッジ１００と本実施形態の燃料電池用カートリッジ１０を燃料電池システム２０に適用して行った発電実験の結果について説明する。
【００６２】
図６（ａ）は、０．３Ｖの定電圧での連続放電を行った際の経過時間と出力電流を示すグラフ、図６（ｂ）は、０．３Ｖの定電圧での連続放電を行った際の経過時間と燃料電池システム２の温度の変化の関係を示すグラフである。
【００６３】
なお、実験を行うにあたり、これら２つの燃料電池用カートリッジが、約５０℃でのメタノール気化放出速度がほぼ同じ大きさとなるように、提案されている燃料電池用カートリッジ１００では孔１０２の大きさと孔数を、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では開口部１２の大きさ及びシリコーンゴム膜の厚みをそれぞれ調整している。具体的には、提案されている燃料電池用カートリッジ１００では、孔１０２の大きさはφ０．０６ｍｍであり、孔１０２が２８０個設けられているものを使用した。カートリッジ表面の全面積に対する開口率は０．０５％であった。本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、開口部１２の大きさは１６×１２ｍｍ２であり、開口部１２が４個設けられているものを使用した。カートリッジ表面の全面積に対する開口率は４８％であった。非多孔質材料１８として、三菱樹脂株式会社製のシリコーンゴム珪樹を使用した。膜の厚みは２００μｍであった。
【００６４】
図６（ａ）において、横軸は経過時間、縦軸は出力電流である。
【００６５】
本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０を使用した場合は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００を使用した場合と比較して、初期状態からの電流の立ち上がりが早い。例えば、出力電流が２００ｍＡに達するまでに要する時間は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００を使用した場合の約４０分に対し、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０を使用した場合では約１０分となっている。
【００６６】
本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０では、提案されている燃料電池用カートリッジ１００と比較して、メタノール気化放出速度の温度依存性が小さい。そのため、初期状態の室温付近でのメタノール気化放出速度が提案例よりも大きく、電流の立ち上がりが早くなったと考えられる。
【００６７】
また、本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０を使用した場合は、提案されている燃料電池用カートリッジ１００を使用した場合と比較して、時間の経過に伴い出力電流の大きさが約３００ｍＡに安定する。
【００６８】
このことから、本実施形態によれば、初期状態からの電流の立ち上がりが早く、その後も安定的な発電を行うことができる燃料電池システム２０を提供することが可能となる。
【００６９】
図６（ｂ）において、横軸は経過時間、縦軸は燃料電池システム２０の温度である。
【００７０】
本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０を使用した場合、燃料電池システム２０の温度は約５０℃付近に安定する。提案された燃料電池用カートリッジ１００を使用した場合、経過時間に伴って温度が上昇し続け、最終的には熱暴走を引き起こしている。
【００７１】
提案されている燃料電池用カートリッジ１００は、メタノール気化放出速度の温度依存性が大きい。そのため、温度の上昇に伴い、燃料であるメタノールの発電部への供給量が増える。それに伴い、発電部からの発熱量も増え、さらに温度が上昇する。こうして燃料電池システム２０の温度は上昇を続け、放熱が間に合わなくなって熱暴走を起こしたものと考えられる。
【００７２】
本実施形態による燃料電池用カートリッジ１０は、メタノール気化放出速度の温度依存性が緩和されている。そのため、温度が上昇しても燃料であるメタノールの発電部への供給量の増加が、提案例よりも抑えられている。そして、発電部での発熱速度と燃料電池システム２０からの放熱速度が等しくなる温度で安定すると考えられる。
【００７３】
このことから、本実施形態によれば、熱的に安定し、熱暴走しにくい燃料電池システム２０を提供することが可能である。
【００７４】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による燃料電池用カートリッジについて図７及び図８を用いて説明する。
【００７５】
本発明の第１実施形態による燃料電池システムでは、使用する燃料電池用カートリッジの一方の面に開口部を設けたものを使用している。
【００７６】
これに対し本実施形態では、燃料電池用カートリッジの両面に開口部を設けたものを使用し、同時に２箇所の発電部へ気化燃料を供給することを可能としている。
【００７７】
図７は、本実施形態による燃料電池用カートリッジの断面図である。
【００７８】
カートリッジケース１４の両面には開口部１２及び開口部１３が設けられている。カートリッジケース１４内には、燃料となるメタノール水溶液を十分に含浸させた燃料含浸材１６が封入されている。図７における矢印は、燃料含浸材１６から燃料が気化して放出されていく状態を示している。本実施形態によれば、カートリッジケース１４の両面には開口部１２及び開口部１３が設けられており、燃料含浸材１６から気化した燃料は開口部１２及び開口部１３から両面へ放出される。
【００７９】
カートリッジケース１４の一方の面に設けられた開口部１２と燃料含浸材１６との間には、非多孔質材料１８が配置されている。さらに、もう一方の面に設けられた開口部１３と燃料含浸材１６との間には、非多孔質材料１９が配置されている。非多孔質材料１８及び非多孔質材料１９としては、例えば、シリコーンゴム膜を用いることができる。
【００８０】
図８は本実施形態による燃料電池システムの内部構造を示す概略図である。
【００８１】
図８に示すように、燃料電池システム５０は、カソードハウジングと呼ばれる空気極側ハウジング５２と、空気極側ハウジング５２に隣接して設けられたカソード集電体と呼ばれる空気極集電体５４と、空気極集電体５４に隣接して設けられた空気極ガス拡散層５６と、空気極ガス拡散層５６に隣接して設けられ、酸素を活物質として還元反応を生じさせ、イオンを生成する正極と呼ばれる空気極触媒層５８と、空気極触媒層５８に隣接して設けられた固体電解質層６０と、固体電解質層６０に隣接して設けられ、燃料を酸化してプロトンと電子とを取り出すための負極と呼ばれる燃料極触媒層６２と、燃料極触媒層６２に隣接して設けられた燃料極ガス拡散層６４と、燃料極ガス拡散層６４に隣接して設けられたアノード集電体と呼ばれる燃料極集電体６６と、燃料極集電体６６に隣接して設けられた気化燃料拡散層６８とを有している。気化燃料拡散層６８の内側には、燃料電池用カートリッジ７２を装着するためのスロット７０が形成されている。スロット７０内には、燃料電池用カートリッジ７２が装着されている。燃料電池用カートリッジ７２は、スロット７０内に着脱可能に構成されている。
【００８２】
さらに別の発電部側には、カソードハウジングと呼ばれる空気極側ハウジング７４と、空気極側ハウジング７４に隣接して設けられたカソード集電体と呼ばれる空気極集電体７６と、空気極集電体７６に隣接して設けられた空気極ガス拡散層７８と、空気極ガス拡散層７８に隣接して設けられ、酸素を活物質として還元反応を生じさせ、イオンを生成する正極と呼ばれる空気極触媒層８０と、空気極触媒層８０に隣接して設けられた固体電解質層８２と、固体電解質層８２に隣接して設けられ、燃料を酸化してプロトンと電子とを取り出すための負極と呼ばれる燃料極触媒層８４と、燃料極触媒層８４に隣接して設けられた燃料極ガス拡散層８６と、燃料極ガス拡散層８６に隣接して設けられたアノード集電体と呼ばれる燃料極集電体８８と、燃料極集電体８８に隣接して設けられた気化燃料拡散層９０とを有している。
【００８３】
このように本実施形態によれば、燃料電池用カートリッジの両面に開口部を設けたものを使用し、同時に２箇所の発電部へ気化燃料を供給することが可能である。
【００８４】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００８５】
例えば、上記実施形態では、燃料電池用カートリッジ１０の開口部１２と燃料含浸材１６との間に配置する非多孔質材料１８として、シリコーンゴム膜を用いる場合を例に説明したが、この非多孔質材料１８はシリコーンゴム膜に限定されるものではない。
【００８６】
例えば、燃料電池用カートリッジ１０の開口部１２と燃料含浸材１６との間に配置する非多孔質材料１８として、カルボキシル基を有するパーフルオロ系高分子膜、又はスルホン基を有するパーフルオロ系高分子膜、又はポリスルホンを主材料とする高分子膜、又はポリイミドを主材料とする高分子膜、又はポリエーテルケトンを主材料とする高分子膜、又はポリアミドを主材料とする高分子膜を使用してもよい。
【００８７】
また、上記実施形態では、燃料電池用カートリッジ１０の開口部１２の形状を長方形としたが、この開口部１２の形状は長方形に限定されるものではなく、いかなる形状であってもよい。
【００８８】
また、上記実施形態では、燃料含浸材１６に含浸させる燃料として、メタノール水溶液を用いる場合を例に説明したが、この燃料含浸材１６に含浸させる燃料はメタノール水溶液に限定されるものではない。
【００８９】
例えば、燃料含浸材１６に含浸させる燃料として、エタノールまたはジメチルエーテルのうち少なくとも１種と水とを含むもの、あるいは、多価アルコールとアルカリ水溶液とを含むものであってもよい。
【００９０】
また、上記実施形態では、燃料電池用カートリッジ１０を用いた燃料電池システム２０に本発明を適用した例を示したが、燃料電池システム２０は、必ずしも燃料電池用カートリッジ１０を用いるものでなくてもよい。
【００９１】
例えば、燃料電池システムに、発電部と一体化された燃料室を設け、この燃料室内に液体燃料を貯留し、燃料室と発電部との間の開口部に非多孔質材料を配置するようにしてもよい。
【００９２】
以上詳述したように、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【００９３】
（付記１）  燃料電池に燃料を供給するための燃料電池用カートリッジであって、
少なくとも一方の面に複数の開口部が形成されたカートリッジケースと、
前記カートリッジケース内の前記開口部が形成された面に配置され、前記燃料を内部に溶解可能な非多孔質材料と、
前記カートリッジケース内に封入された前記燃料を含浸するための燃料含浸材と
を有することを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【００９４】
（付記２）  付記１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記開口部に配置される前記非多孔質材料を透過する前記燃料の気化放出速度の温度による上昇率が、前記開口部に何も配置されないもしくは多孔質材料が配置された場合における前記燃料の気化放出速度の温度による上昇率よりも小さい
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【００９５】
（付記３）  付記１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記非多孔質材料は、シリコーンゴムである
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【００９６】
（付記４）  付記１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記非多孔質材料は、カルボキシル基又はスルホン基を有するパーフルオロ系高分子材料より成る
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【００９７】
（付記５）  付記１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記非多孔質材料は、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルケトン及びポリアミドのうち一種を主材料とする高分子膜より成る
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【００９８】
（付記６）  付記１記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記燃料含浸材は、カルボキシル基又はスルホン基を有するパーフルオロ系高分子材料より成る
ことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【００９９】
（付記７）  燃料極と固体電解質と空気極とを有する発電部を有し、
前記発電部の前記燃料極側に設けられたスロット内に、気化した燃料を放出する燃料電池用カートリッジを装脱着可能な燃料電池であって、
前記燃料電池用カートリッジは付記１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池用カートリッジである
ことを特徴とする燃料電池。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】提案されている燃料電池用カートリッジの平面図及びＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による燃料電池用カートリッジの平面図及びＢ−Ｂ’線断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの構造を示す概略図である。
【図４】提案されている燃料電池用カートリッジと本発明の第１実施形態による燃料電池用カートリッジについて、温度とメタノール気化放出速度の関係を示すグラフである。
【図５】シリコーンゴム膜の厚みとメタノール気化放出速度の関係を示すグラフである。
【図６】提案されている燃料電池用カートリッジと本発明の第１実施形態による燃料電池用カートリッジを燃料電池システムに適用して行った発電実験の結果を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態による燃料電池用カートリッジの断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態による燃料電池システムの構造を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０…燃料電池用カートリッジ
１２、１３…開口部
１４…カートリッジケース
１６…燃料含浸材
１８、１９…非多孔質材料
２０…燃料電池システム
２２…空気極側ハウジング、カソードハウジング
２４…空気極集電体、カソード集電体
２６…空気極ガス拡散層
２８…空気極触媒層
３０…固体電解質層
３２…燃料極触媒層
３４…燃料極ガス拡散層
３６…燃料極集電体、アノード集電体
３８…気化燃料拡散層
４０…スロット
４２…燃料電池用カートリッジ
４４…燃料極側ハウジング、アノードハウジング
５０…燃料電池システム
５２…空気極側ハウジング、カソードハウジング
５４…空気極集電体、カソード集電体
５６…空気極ガス拡散層
５８…空気極触媒層
６０…固体電解質層
６２…燃料極触媒層
６４…燃料極ガス拡散層
６６…燃料極集電体、アノード集電体
６８…気化燃料拡散層
７０…スロット
７２…燃料電池用カートリッジ
７４…空気極側ハウジング、カソードハウジング
７６…空気極集電体、カソード集電体
７８…空気極ガス拡散層
８０…空気極触媒層
８２…固体電解質層
８４…燃料極触媒層
８６…燃料極ガス拡散層
８８…燃料極集電体、アノード集電体
９０…気化燃料拡散層
１００…燃料電池用カートリッジ
１０２…孔
１０４…カートリッジケース
１０６…燃料含浸材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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